典型的信号完整性问题

典型的信号完整性问题：反射、串扰、电源/ 地噪声、时序等。

反射

由于传输系统阻抗不匹配，会使传输的信号不 能被完全吸收，造成部分能量返回。反射造成信号出现过冲（Overshoot）、振铃（Ringing）、边沿迟 缓（阶梯电压波）。过冲是振铃的欠阻尼状态，边沿迟缓是振铃的过阻尼状态。下图为信号反射的三种表现形式。

过冲一方面会造成强烈的电磁干扰，另一方面 会损伤后面电路的输入级，甚至失效。而振铃会带 来信号长时间不能稳定，边沿迟缓带来信号上升时 间过长，二者都可能带来信号的时序问题，如时钟数据同步、建立与保持时间不满足等。

串扰 Crosstalk

由于导线之间间距过小，当有快速变化的电流 流过导线时会产生交变的磁场，而使邻近的导线上 感应出信号电压，称为串扰（Crosstalk）。 下图为信号串扰试验模型，以及受影响信号线上的串扰信号。

串扰一方面是EMC主要根源之一，另一方面， 串扰干扰正常的信号流，有可能造成数据错误，是造成误码的主要原因之一。问题发生没有一定规律， 时隐时现，诊断与定位往往花费大量时间与精力。

某单板经常发现工作一段时间后，网口工作异 常，数据传输经常有误码。询问供应商，该现象一 般和某芯片的信号受到干扰有关。 检查 PCB 发现，在相邻层该信号和一条 100M 信号相重叠，中间没有地平面分隔，由此引入干扰。

电源/地噪声

当信号状态快速改变时，在电源和地上会产生 纹波电流。由于电源和地上的电感的存在，信号突 变产生的尖峰电流将使电源和地上出现电压的波 动。系统几十甚至上百个信号同时发生状态改变时， 有可能造成系统的误动作。由于电源/地噪声的复杂 性，有时单独作为电源完整性（Power Integrity）来 研究。

历史参考文档：

时序问题

系统中数据的提取通常是由时钟信号的上升沿 或下降沿触发，按照一定的节拍进行，数据应该及 时到达接收端并进入稳态。数据的超时延时和数据 的信号畸变都会造成数据的读取错误。接收端信号 由于出现严重的振铃现象，部分进入非稳定状态， 会使数据不能被可靠地提取，造成误码问题。

历史参考文档：

信号完整性设计方法

严格控制关键信号的 PCB 走线长度

信号完整性问题主要是 PCB 走线过长造成的。 如果在设计前期，我们能够找出关键信号，并对走线长度进行控制，就可以有效地抑制信号反射，保证信号质量。所以我们需要研究器件的数据手册， 确定信号最快上升与下降时间，估算临界走线长度， 对于时钟、高速数据流信号尤其要注意长度控制。

合理规划走线的拓扑结构

走线的拓扑结构是指一根走线的布线顺序及布 线结构，如菊花链和星形分布等。同时，需要采用 合适的匹配方式，如源端匹配、终端匹配等。我们 需要了解电路的设计原理，驱动顺序与信号本身特 点，采用合适的拓扑与匹配方式。

有效控制 PCB 特征阻抗

在多层线路板中，信号完整性性能良好的关键 是使它的特性阻抗在整条线路中保持恒定。目标是 使所有线路的特性阻抗满足一个规定值，通常在 25 欧姆和 70 欧姆之间。所以在设计时，就需要对 PCB 走线特征阻抗进行计算，确定合理的走线宽度与其 它设计参数；在 PCB 加工时，表明阻抗要求；PCB 加工后，需要采用仪器对特征阻抗进行验证。

设计仿真技术

在 PCB 设计过程中，采用软件进行仿真。在系 统设计时，对模块布置进行仿真；在单板布局时， 可以进行前仿真，确定器件布局；在走线时，进行 后仿真，保证走线质量。通过仿真，事先可以预测 到信号的设计质量，及时调整设计策略，预先预防， 而不是事后补救。

其它可采用技术

在设计时，需要从电路设计、布局、布线、电源系统等方面进行考虑。如在电路设计时，合理选 择驱动器件，尽量采用同步设计，避免异步设计， 高速信号采用差分信号，为集成电路芯片添加去耦 电容；布局时，注意数字与模拟信号分开，合理设 计单板的叠层，器件按照速度合理布局；布线时，注意少打过孔，布线遵循 3W 原则；电源设计时， 注意低阻抗连接，层叠遵循 20H 原则等。